富士電機技報

第85巻第6号（2012年11月）

特集 エネルギーマネジメントに貢献するパワー半導体

企画意図

持続可能社会を実現するために、太陽光発電・風力発電などの再生可能エネルギーの普及や、そのエネルギーを効率的に利用するパワーエレクトロニクス技術への期待が非常に大きくなっています。この期待に応えるため、富士電機では、エネルギー変換効率が高く、低ノイズで地球環境にやさしいパワー半導体を開発してきました。パワー半導体は、エネルギー、自動車、産業機械、社会インフラ、家電製品など多くの分野に適用されています。本特集では、パワーエレクトロニクス技術のキーデバイスであるパワー半導体について、最新の技術および製品を紹介します。

〔特集に寄せて〕ネガワットコストとパワーエレクトロニクス

河村　篤男
横浜国立大学大学院工学研究院教授工学博士

〔現状と展望〕パワー半導体の現状と展望

高橋　良和　・　藤平　龍彦　・　宝泉　　徹

富士電機は、環境にやさしいクリーンエネルギーを創る“創エネルギー”、エネルギーの効率利用を実現する“省エネルギー”、エネルギーを最適な形でつなぐ“エネルギーマネジメント”で構成するエネルギー関連事業を展開しており、その根幹を成すのがパワーエレクトロニクスとパワー半導体である。本稿では、パワー半導体について、インバータエアコン用小容量IPMやマルチレベル電力変換器用1,700V RB-IGBT、車載用直接冷却IGBTモジュール、All-SiCモジュールといったパワーモジュール製品とそれを支える要素技術、ならびに車載用第4世代IPSなどのパワーディスクリート、LLC電流共振制御ICなどのパワーICを取り上げ、現状と展望を述べる。

マルチレベル電力変換器用1,700 V RB-IGBT

魯　　鴻飛　・　荻野　正明　・　中澤　治雄

変換効率の高い電力変換器の適用が広がっている。無停電電源装置や太陽光発電用パワーコンディショナなどでも、従来の2 レベル変換方式から、より高効率なマルチレベル方式へ移行しつつある。富士電機では、マルチレベル変換回路に双方向スイッチとして使用される1,700 V RB-IGBT を他社に先駆けて開発した。熱拡散とV 溝のエッチングを組み合わせるハイブリッド分離層方式を採用し、1,700 V デバイスへ適用した。高圧インバータの代表的なスイッチング周波数（～ 500 Hz）で中間素子がRB-IGBT の場合、導通損失の低減により、3 レベルインバータの電力損失は18% 減少した。

All-SiC モジュール技術

梨子田　典弘　・　日向　裕一朗　・　堀尾　真史

SiC（炭化けい素）デバイスなどの次世代パワー半導体には、高耐圧、低損失および高周波・高温動作可能という優れた特性がある。これらを最大限に発揮させるため、デバイスを銅ピンで接続し、エポキシ樹脂で封止する革新的なパワーモジュール構造を開発した。この構造により、温度サイクル耐量が向上し、銀焼結材料の適用により200 ℃動作の高信頼性を確認した。また、新構造の特長を最大限に活用することで、モジュールの低インダクタンス設計が可能である。試作したAll-SiC モジュールにより、太陽光発電用パワーコンディショナの大幅な小型化・効率向上を実現した。

IGBT モジュールの高信頼性実装技術

百瀬　文彦　・　西村　芳孝　・　望月　英司

再生可能エネルギーの利用拡大に伴い、IGBT モジュール製品の用途が多様化し、さらなる信頼性の向上が求められている。製品の品質と信頼性を確保するためには、故障・劣化モードを特定し、破壊メカニズムに基づいた信頼性設計が必要である。富士電機では、高信頼性を実現するため、実機を模擬した熱疲労寿命、電界シミュレーションによる絶縁寿命および極低温動作保証の設計を行っている。また、製品の長寿命化を実現するため、実装技術としてSn-Sb はんだ接合と超音波端子接合を開発した。さらに、実装状態で良好な放熱性を確保するため、熱伝導グリースについて調査した。

IGBT モジュール開発におけるデバイス・回路・熱の連携シミュレーション技術

山田　昭治　・　池田　晴信　・　仲村　秀世

IGBT （Insulated Gate Bipolar Transistor）モジュールの設計において、小型化、高効率化、低ノイズ化などの要求を満足するため、シミュレーションによる事前解析の重要性が増している。富士電機では、従来、IGBT モジュールの構成要素ごとに行っていたデバイスや熱のシミュレーションを、回路シミュレーションをベースにして連携させ、モジュール全体の解析ができる連携シミュレーションを構築した。これにより、従来に比べて、熱特性で約10% から約5% に，電気特性で約40 % から約10 % に誤差が低減した精度の高いシミュレーションを実現している。

「 V シリーズ」IPM の系列拡大 ―高放熱タイプ「P630 パッケージ」―

本橋　　覚　・　髙橋　秀明　・　田岡　正裕

アルミナ絶縁基板を適用した既存「P630 パッケージ」に加えて、窒化アルミニウムを適用した高放熱タイプ「P630 パッケージ」を開発した。既存パッケージに対して、熱抵抗を30 % 以上低減しており、高負荷条件下でΔT_j-c を抑制できる。また、絶縁基板下はんだ材の見直しにより、窒化アルミニウムと鉛はんだを用いた前世代のIPM （Intelligent Power Module）に対して、ΔT_c パワーサイクル耐量が大幅に向上している。機械的・電気的特性および外形は、既存パッケージと同等であり、負荷条件・放熱系の設計条件に応じて使い分けが可能である。

３.３ ｋV IGBT モジュールの系列拡大

福知　輝洋　・　金子　悟史

近年、再生可能エネルギーの市場が急速に伸びており、大容量IGBT （Insulated Gate Bipolar Transistor）モジュールのニーズは急激に拡大している。富士電機ではこれに応えるため、3.3 kV のIGBT モジュールで定格電流を25 % 向上した新製品を系列化した。0.8 kA 品と同じパッケージの3.3 kV/1.0 kA と、1.2 kA 品と同じパッケージの3.3 kV/1.5 kA の製品である。チップ配置をシンメトリーにしたことにより、高スイッチング耐量を確保している。また、絶縁基板には放熱能力向上のためAlN 基板を、ベース材料には高い信頼性を確保するためAlSiC ベースを採用している。

「 V シリーズ」IGBT モジュールの系列拡大 ―小型フレキシブルPIM―

小松　康佑　・　甲斐　健志　・　塩原　真由美

富士電機は、産業機器の省エネルギーを実現するためのIGBT モジュールを設計・開発し、社会に供給してきた。その適用範囲は多岐に渡っている。今回、小容量帯 （～50 A）機器の高効率化・小型化・軽量化を目的として、小型フレキシブルPIM （Power Integrated Module）を開発し、系列化した。IGBT・FWD （Free Wheeling Diode）素子に第6世代「V シリーズ」を適用し、銅ベースレスのパッケージにより、取付け面積で45 % の小型化、質量で75 %の軽量化を達成した。ピン端子の形状は，顧客のニーズに応じてプレスフィットピンとソルダピンから選択できる。

インバータエアコン用小容量IPM

山田　忠則　・　傳田　俊男　・　白川　　徹

省エネルギー規制 （APF準拠）に適合したインバータエアコン向けに、省エネルギー性能をさらに向上させた小容量IPM を開発した。フィールドストップ型トレンチゲート構造のIGBT を、高速FWDと組み合わせることで、エアコンにとって重要な軽負荷動作時の損失を約25 % 低減している。さらに、高熱伝導の絶縁基板を適用することで熱抵抗を低減し、損失低減による効果と合わせて温度上昇を抑制している。また制御回路には，過電流保護機能や温度センシング機能、低電圧保護機能などの保護機能を内蔵している。

車載用IGBT モジュールの直接水冷技術

安達　新一郎　・　小高　章弘　・　長畦　文男

自動車メーカーは、ハイブリッド自動車や電気自動車などの開発を積極的に進めている。富士電機では、車載用のインバータユニットの小型化に貢献するため、直接水冷方式を用いたIGBT （Insulated Gate Bipolar Transistor）モジュールの開発を行っている。また、顧客のインバータユニットの開発を支援するため、高い放熱性能と低い圧力損失を両立するための車載用IGBT モジュールの水冷ジャケットの構造を検討するとともに、車両運転パターンに基づいた信頼性設計などの応用技術の開発を行った。

車載用第4世代IPS「F5100 シリーズ」

鳶坂　浩志　・　中川　　翔　・　豊田　善昭

自動車電装システムに使用される半導体製品では、小型化、高信頼性化、低価格化の要求が高まっている。これを受けて、出力段パワーMOSFET をプレーナ型からトレンチ型にし、制御・保護回路の微細化や多層配線技術を適用した第4 世代IPS「F5100 シリーズ」を開発した。製品のラインアップは、従来のSOP-8 パッケージに搭載した1 チャネル品ならびに同一サイズのパッケージの2 チャネル品がある。主な特徴は次の四つである。過電流や過熱検出機能による負荷短絡保護、低電源電圧動作、状態出力用ステータス端子の内蔵およびインダクタンス負荷時の高速ターンオフである。

LLC 電流共振制御IC「FA5760N」

山田谷　政幸　・　山路　将晴　・　山本　　毅

スイッチング電源の高効率化、低ノイズ化、薄型化に有利なLLC 電流共振回路が注目されている。しかし、安定した動作を得るためにコンバータが別途必要であることなど電源回路の規模が大きくなる課題がある。富士電機は、LLC 電流共振回路が一つのコンバータで構成でき、待機電力の低減も実現したLLC 電流共振制御IC「FA5760N」を開発した。630 V 高耐圧ドライバと600 V 耐圧起動素子を1 チップとし、ハーフブリッジ回路の貫通現象を回避する保護回路と間欠動作モードにより、従来のLLC 電流共振回路の持っていた欠点を解消し、広範囲に適用できる。

第6世代PWM 制御IC「FA8A00 シリーズ」

藪崎　　純　・　山根　博樹　・　小林　善則

「FA8A00 シリーズ」は、新開発の0.35 μm プロセス技術を適応した第6 世代PWM （Pulse Width Modulation）電源制御IC である。パッケージはSOP-8 ピンであり、500 V 保証の起動回路を内蔵している。新開発のX キャパシタの放電機能により、従来必要であった放電抵抗をなくし、抵抗損失を約20 mW 削減した。さらに、IC の消費電流を従来品の30 % まで削減したことで、電源全体で30 mW 以下の待機電力を実現した。また、周波数低減特性の最適化により平均効率89 % 以上を実現しており省エネルギーと電源システムのコストダウンに貢献できる。

略語・商標

新製品・新技術紹介

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